一种基于贪婪算法的无线网络多信道多址接入方法与流程

本发明涉及wlan领域，特别涉及一种基于贪婪算法的无线网络多信道多址接入方法。
背景技术：
：近年来，随着各种移动终端的蓬勃发展，用户对随时随地无线接入互联网的需求也与日俱增。在这种情况下，wlan由于其高吞吐量、低成本、使用灵活、部署方便等特点，成为一种高效的无线网络解决方案。在未来的使用场景中，服务质量保证调度和更高的吞吐量是关键要求。为了在上述情况下提高wlan的效率，ieee标准协会(ieee-sa)于2014年3月批准了ieee802.11ax。目前在ieee802.11标准中使用的mac层接入机制仍然是dcf。在密集用户场景中，其吞吐量与phy层的峰值相比显著降低。为了提高密集场景下的网络效率，下一代无线局域网标准ieee802.11ax引入了多种提高系统效率的技术，如：ofdma、上行链路mu-mimo、动态信道评估和动态功率控制，其中使用ofdma技术。虽然这些技术在一定程度上减少了冲突，提高了信道的利用率，但仍有许多问题有待解决。首先，在实际的网络环境中，情况极其复杂，现有的mac算法无法实现资源的动态分配。同时，在高密度网络中，随着sta的大量增加，现有的多址接入机制仍然无法有效避免冲突和干扰，mac层的性能严重下降。另一方面，传统的mac算法没有提供在密集用户场景下支持高吞吐量和服务质量保证的机制。技术实现要素：为解决上述问题，本发明提出一种基于贪婪算法的无线网络多信道多址接入方法，如图1，具体包括以下步骤：s1、对系统进行初始化；s2、初始化之后计算竞争过程中资源单位利用率的变化率，并判断该变化率与设置阈值之间的大小；s3、若所述变化率小于等于设置的阈值则更新并重新广播竞争窗口后返回步骤s2重新计算资源单位利用率的变化率；s4、否则计算竞争过程中资源单位冲突率的变化率，判断该变化率是否大于0，根据其是否大于0更新竞争窗口大小；s5、计算当前资源单位利用率和上一轮资源单位利用率的差值，判断当前资源利用率与上一轮的资源利用率之差是否小于0，或者竞争窗口的大小为最大值；s6、若满足步骤s5则更新竞争窗口后更新当前资源单位的利用率并赋值给资源单位的利用率的参考值以及将冲突率赋值给资源单位的冲突率的参考值，并返回步骤s2；s7、否则更新竞争窗口大小并广播，返回步骤s5。进一步的，对系统进行初始化包括：将竞争窗口的长度设置为最小的竞争窗口长度，站点在接入点广播的竞争窗口长度范围内随机选择一个退避参数进行多轮退避，如果退避完成则参与信道竞争；接入点统计多轮竞争的资源单位的利用率和冲突率，每轮竞争之后竞争窗口以相同步长增大，并且将当前资源单位的利用率η和上一轮的资源单位的利用率ηlast作比较；如果η<ηlast则结束初始化阶段，并且得到初始的资源单位利用率和冲突率的参考值；否则继续竞争直到满足结束条件。进一步的，站点根据退避值进行退避操作包括：若信道处于空闲状态，则在每次退避状态中用退避值减去总的资源单位数量，直到退避值小于或等于当前剩余的资源单位数量。进一步的，接入点根据缓冲区状态报告和数据传输速率统计站点需要的资源单位数量和竞争轮数，当当前站点满足所需的资源单位数量和竞争轮数时，当前站点竞争成功。进一步的，在竞争过程中，根据qos将站点划分为高优先级站点和低优先级站点，高优先级站点竞争有两次竞争机会，即竞争失败之后还有一次竞争机会；低优先级站点只有一次竞争机会。进一步的，站点在竞争资源单位的同时，接入点根据缓冲区状态报告信息和数据传输速率统计站点需要的资源单位数量和竞争轮数；如果竞争轮数大于最大竞争轮数或者分配的资源单位数量达到最大资源单位数量，则竞争结束；竞争结束后接入点发送触发帧，通知竞争成功的站点分配的资源单位。进一步的，竞争成功的站点分配的资源单位时，站点使用接入点分配的资源单位传输数据，空闲部分使用pad帧进行填充，使传输时间对齐，待收到多用户块确认帧之后，站点进行新一轮的竞争，即从接入点的信标帧中获取竞争窗口长度，并随机选择退避值。进一步的，在步骤s4中资源单位冲突率的变化率大于0时或者在该情况下步骤s7更新竞争窗口时，更新竞争窗口长度过程包括：cw＝cw+δcw；在步骤s4中资源单位冲突率的变化率大于0时的情况下，当步骤s6中当满足步骤s5的条件时，更新竞争窗口的过程包括：cw＝cw-δcw；其中，cw为当前竞争窗口长度，δcw为每次竞争窗口更新的步长。进一步的，在步骤s4中资源单位冲突率的变化率小于等于0时，或者在该情况下步骤s7更新竞争窗口时，更新竞争窗口长度过程包括：cw＝cw-δcw；在步骤s4中资源单位冲突率的变化率小于等于0时的情况下，在步骤s6中当满足步骤s5的条件时，更新竞争窗口的过程包括：cw＝cw+δcw；其中，cw为当前竞争窗口长度，δcw为每次竞争窗口更新的步长。进一步的，当前竞争过程中，资源单位利用率的变化率和冲突率的变化率分别表示为：其中，ηrefer为资源单位利用率的参考值；η为当前资源单位的利用率；prefer为资源单位冲突率的参考值；p为当前资源单位的冲突率。本发明使用贪婪算法动态调整竞争窗口，实现了对站点竞争信道的进一步控制，从而达到了提升系统吞吐量、降低时延和保证qos的效果。附图说明图1为本发明一种基于贪婪算法的无线网络多信道多址接入方法流程图；图2为本发明中系统进行初始化流程图；图3为本发明信道接入时序示意图；图4为本发明中利用贪婪算法改变竞争窗口流程图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供一种基于贪婪算法的无线网络多信道多址接入方法，包括以下步骤：s1、对系统进行初始化；s2、初始化之后计算竞争过程中资源单位利用率的变化率，并判断该变化率与设置阈值之间的大小；s3、若所述变化率小于等于设置的阈值则更新并重新广播竞争窗口后返回步骤s2重新计算资源单位利用率的变化率；s4、否则计算竞争过程中资源单位冲突率的变化率，判断该变化率是否大于0，根据其是否大于0更新竞争窗口大小；s5、计算当前资源单位利用率和上一轮资源单位利用率的差值，判断当前资源利用率与上一轮的资源利用率之差是否小于0，或者竞争窗口的大小为最大值；s6、若满足步骤s5则更新竞争窗口后更新当前资源单位的利用率并赋值给资源单位的利用率的参考值以及将冲突率赋值给资源单位的冲突率的参考值，并返回步骤s2；s7、否则更新竞争窗口大小并广播，返回步骤s5。本实施例从系统初始化、sta竞争信道与信道分配、竞争窗口优化以及数据传输四个方面分别对上述方法进行说明，具体包括：(一)系统初始化本实施例中对系统的初始化是当首次使用时需要进行的工作，其流程如图1所示。在ieee802.11ax中，竞争阶段的cw大小，冲突率和ru利用率是非常重要的三个参数，它们相互影响。因此，需要设置适当的cw大小以确保信道具有较高的ru利用率和较低的冲突率。本实施例通过以下方法进行设置：设置cw大小为最小竞争窗口，sta在ap广播的cw范围内随机选择一个退避参数进行多轮退避，如果退避完成则参与信道竞争；ap统计多轮竞争的ru利用率η和冲突率p，在此阶段，每一次竞争之后cw不断以相同步长增大，并且当前ru利用率η和上一周期的ru利用率ηlast作比较，如果η<ηlast则结束初始化阶段，并且得到初始的ru利用率和冲突率的参考值，具体模型如下：cw＝cwmin(1)cw＝cw+δcw(2)其中，cwmin为最小竞争窗口大小，cwmin＝15，δcw为竞争窗口增加的步长，δcw＝16，ηrefer为ru利用率的参考值，prefer为冲突率的参考值，ηlast代表上一周期的ru利用率，当η<ηlast时，得到利用率和冲突率的参考值，并完成初始化。(二)sta竞争信道与信道分配图2是本发明系统中竞争信道，分配信道和数据传输的时序图，主要分成竞争阶段和传输阶段，其中竞争阶段包括信道竞争和信道分配两个过程，信道分配由ap完成。具体包括以下步骤：ap广播信标帧tf-r，tf-r帧包含竞争窗口和可用ru编号等信息，在所有要发送数据的sta接收到信标帧后，从(0,cw]中随机选择一个退避值，表示为obo，在一个短帧间间隔(shortinter-frameinterval，sifs)之后，sta开始退避，在退避过程中，每个时隙obo都减去剩余的ru数；当obo大于或等于ru数时，sta需要监听信道是否空闲，如果监听到信道处于繁忙状态，则该站点暂时冻结退避计数器，直到信道空闲为止；如果检测到信道空闲，则继续退避，直到达到设置的竞争结束条件；在本发明中，竞争结束条件设置为ru资源分配完成或达到最大竞争轮数，需要的资源单位数量计算为:(d/r)*k，其中d为数据包长度，r为数据传输速率，k为一个固定参数，根据不同网络的数据传输速率不同，k也不同；竞争轮数接入点直接可以统计，不需要计算；当obo小于ru数时，sta完成退避并随机选择一个ru发送bsr字段，其中bsr字段包含上行传输的数据包大小，为了保证高优先级sta的qos，允许其冲突后再次接入，如图2中的sta4和sta5，而低优先级站点只有一次接入机会；ap接收到bsr字段后对其解析，由于单个信道传输速率固定，ap根据站点的数据包大小计算sta所需的信道资源；在ieee802.11ax中，20mhz信道可以被分为4种不同的ru，分别为26，52，106和242子载波，所以在本发明中，使用不同信道传输数据的速率用一个集合表示为s＝{s0,s1,s2,s3}，其中s3≈2*s2≈4*s1≈8*s0，那么sta所需的信道资源可以简单得表示为当ru需要充分利用时，可以根据表1的方案进行组合；当分配完成所有ru资源时，竞争阶段结束。表1分配方案26子载波52子载波106子载波242子载波19271352433514651751831191211021141212131(三)竞争窗口优化竞争窗口的优化过程如图3所示，具体包括以下步骤：根据系统初始化过程得到的ru利用率参考值和冲突率的参考值，为了衡量网络的变化，定义了当前竞争过程中ru利用率的变化率和冲突率的变化率，可表示为：其中，δη是ru利用率的变化率，δp是冲突率的变化率。此时，网络有两种状态，分别为：δη>δandδη<δ，δ为衡量变化率的一个阈值，并且0<δ<1。为了在尽量减少冲突的情况下最大化ru的利用率，需要保证δη<δ。当网络状态发生改变时，为了重新回到目标状态，则需要改变cw大小，此时为了降低冲突率，有两种改变状态，本实施例根据冲突率的变化率δp来对cw进行更行，分别为：cw＝cw+δcwδp>0.(6)cw＝cw-δcwδp≤0.(7)ap广播cw，如果满足公式(8)中的条件，则停止上述过程。否则，改变竞争窗口大小并广播，计算当前ru利用率和上一轮ru利用率的差值。公式(8)表示为：其中，ηlast为上一轮优化过程的ru利用率，ηdiff为当前ru利用率和上一轮ru利用率的差值。结束本轮优化后，将当前ru利用率η赋值给ru利用率的参考值ηrefer，记为，ηrefer＝η，重复以上操作。(四)数据传输如图2所示，当信道分配完成后，ap广播一个信标帧，信标帧包含ru的分配情况。sta收到信道分配情况后，利用分配的信道进行数据传输，其中信道空闲部分使用pad帧进行填充，使传输时间对齐，待sta收到多用户块确认帧之后，结束一个完整的周期，sta重新回到信道竞争过程。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。当前第1页12